- Die in der umfänglichen Studie veröffentlichten Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, die Unterschiede in der Eisdicke und der gesamten Eiseigenschaften an verschiedenen Einsatzorten der Bojen sorgfältig zu berücksichtigen.
- Messungen in einem verteilten Netzwerk erleichtern die Analyse von Prozessen.
- Die erfolgreiche Implementierung zeigt die Machbarkeit solcher Netzwerke.
Eine umfangreiche von Bojendaten der der MOSAiC Expedition zeigt, dass das verteilte Netzwerk der Messbojen wichtige Erkenntnisse zur Meereis-Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung liefern kann. Auch zusammen mit Ergebnissen der manuellen Probennahmen und Messungen im zentralen Observatorium kann das Netzwerk wichtige Erkenntnisse zu unterschiedlichen Prozessen liefern. Die Daten sind besonders wertvoll für den Zeitraum, in dem FS Polarstern nicht vor Ort sein konnte. Bisherige und zukünftige Analysen der MOSAiC-Bojendaten werden auch der Verbesserung von Vorhersagemodellen dienen.
Bedeutung der Bojenmessungen während MOSAiC
Die während der MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) Expedition 2019/20 ausgebrachten autonomen Messsysteme, kurz Bojen genannt, geben detaillierte Einblicke darüber, wie sich die Wechselwirkungen zwischen Meereis, Atmosphäre und Ozean in der Arktis verändern. In einer umfangreichen Studie wurden nun die Ergebnisse von über 200 Bojen veröffentlicht, die das gekoppelte System in allen Jahreszeiten beschreiben. Die Ergebnisse zeigen sowohl die starke räumliche Variabilität im Winter als auch den Schmelzbeginn im Mai.
Dieser umfangreiche Datensatz wurde nun von 50 Wissenschaftler:innen eines internationalen Konsortiums gemeinsam ausgewertet und in einer Veröffentlichung zusammengefasst.
„Mit der Veröffentlichung haben wir einen weiteren Meilenstein bei der Auswertung der MOSAiC Daten geschafft. Die aktuelle Veröffentlichung behandelt wichtige wissenschaftliche Fragestellungen und bietet gleichzeitig eine Referenz für zukünftige Analysen der Bojendaten. Diese Gemeinschaftsleistung vieler Nationen war möglich durch die umfangreich koordinierte Zusammenarbeit innerhalb von MOSAiC“, erklärt Prof. Benjamin Rabe, Hauptautor der Veröffentlichung und Mitarbeiter der Abteilung „Physikalische Ozeanographie“ am Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven. Er war Co-Fahrtleiter des Expeditionsabschnitts im Winter 2020 und Co-Koordinator des Teams OCEAN während der MOSAiC Expedition.
Autonome Messysteme auf dem Meereis, wie sie während der MOSAiC Expedition ausgebracht wurden, sind wichtige Instrumente zur Bestimmung von Meereiseigenschaften. Sie spielen eine entscheidende Rolle beim Verständnis nicht nur der Entwicklung des Meereises, sondern auch der Wechselwirkungen mit komplexen Prozessen in Atmosphäre und Ozean. Sie können ganzjährig eingesetzt werden und liefern somit wichtige Daten in Jahreszeiten oder auch Regionen, die normalerweise nicht erreichbar sind (z. B. im Winter). Während der MOSAiC Expedition konnten so wichtige Daten über die Eigenschaften des Meereises gesammelt werden, während es durch die Arktis driftete und sich im Verlauf der Jahreszeiten veränderte. Besonders wertvoll sind die Bojendaten für den Zeitraum als das Forschungsschiff Polarstern die Driftstation im Mai / Juni 2020 für ca. einen Monat verlassen musste, denn sonst hätte es gar keine Daten vom Beginn der Schmelze gegeben. So haben die Bojen in dem über einen Umkreis von circa 80 bis 100 km verteilten Netzwerk autonomer Stationen weiter Daten aufgezeichnet und per Satellit an die Heimatinstitute übertragen. Bojen sind also unverzichtbare Werkzeuge, um unser Wissen über das Meereis und seiner Veränderungen zu erweitern und die Auswirkungen des Klimawandels auf die polaren Regionen besser zu verstehen.
Ergebnisse der Datenanalyse
Das offensichtlichste, aber dennoch sehr bemerkenswerte Ergebnis der Expedition ist, dass die Drift des Meereises deutlich schneller war als erwartet und auch als die Drift in den letzten 15 Jahren, die als Referenz bereits während der Planung der Expedition dienten. Dies hatte wissenschaftliche Konsequenzen und zugleich einen großen Einfluss auf die Logistik und den Ablauf der Expedition. Abbildung 1 zeigt, dass das Netzwerk autonomer Systeme (DN – Distributed Network; siehe Abschnitt am Ende des Beitrags für weitere Details) dem Weg der transpolaren Drift folgte, die Framstraße kreuzte und dann in die Grönlandsee driftete. Abbildung 2 zeigt die Position der DN Standorte zu sechs ausgewählten Zeitpunkten während der Drift (diese sind in Abbildung 1 entsprechend markiert). Die dargestellten Bilder dokumentieren das DN direkt nach der Ausbringung, im späten Frühjahr und gegen Ende der Drift, als sich das DN der Framstraße näherte. Aus der reinen beobachteten Bewegung wurde die Eisdynamik analysiert, das Wechselspiel zwischen Meereis und seinem Antrieb aus Wind und Ozeanströmungen. Als Resultat bilden sich Presseisrücken und Rinnen und daraus wieder Teile neuen und dünnen Eises. Die MOSAiC Bojen haben so gezeigt, dass ein wesentlicher Teil der Massenbilanz des Meereises auf diese Dynamik zurückzuführen ist. Durch die einzigartig große Anzahl an Bojen im DN und damit bemerkenswert vielen Knoten des Netzwerkes konnten die Eisbedingungen auf Skalen von 10 bis 100 km beschrieben und besser verstanden werden. Ebenfalls wurden durch das Bojennetzwerk die vertikalen Prozesse an mehreren Eisschollen entlang der Drift parallel erfasst. Aus der Kombination all dieser Daten können langfristige Schätzungen der räumlichen Heterogenität der gekoppelte Atmosphären-, Eis- und Ozeansysteme gegeben werden. Das DN beobachtete erfolgreich den Übergang zur Eisschmelze im Spätfrühling / Frühsommer und den Wechsel zwischen den Regionen, die von polarem Oberflächenwasser mit niedrigem Salzgehalt und denjenigen, die von oberflächennahen Wassermassen atlantischen Ursprungs betroffen sind.
Abbildung 1: Drifttrajektorien der Hauptstandorte des verteilten Netzwerks. (Quelle: Rabe et al., 2024)
Abbildung 2: Entwicklung der Positionen des verteilten Netzwerks von Mitte Oktober 2019 bis Ende Juli 2020. Die Positionen werden in einer stereografischen Nordpolarprojektion angezeigt. Die Pfeile unten rechts in einer jeden Abbildung weisen nach Norden, in der unteren linken Ecke ist die Position des Zentralobservatoriums in Längen- und Breitengraden angezeigt. In Abständen von 10 km vom Zentralobservatorium sind graue Kreise eingezeichnet. Die Symbole beziehen sich auf unterschiedliche Bojen-Cluster, die in verschiedenen Abständen aufgestellt wurden, um Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen Skalen zu erfassen (siehe auch Abbildung 1). (Quelle: Rabe et al., 2024)
Im Folgenden werden einige wichtige Ergebnisse von zwei im Detail betrachteter Perioden dargestellt: eine im Winter und eine im frühen Sommer. Erstere stellt eine wenig beobachtete Jahreszeit in der Zentralarktis dar, während letztere den Zeitraum abdeckt, in dem das Schiff und das gesamte Personal den MOSAiC-Bereich verlassen hatten und nur noch autonome Beobachtungen möglich waren.
Ein exemplarisches Ergebnis der Fallstudie Winter ist in Abbildung 3 gezeigt. Die Entfernung zwischen allen Standorten betrug etwa 50 km und ihre relativen Entfernungen zueinander mit Werten von 1 bis 2 km blieben stabil. Während der 30-tägigen Fallstudie überspannte das Bojennetzwerk einen räumlichen Gradienten des absoluten Salzgehalts in der vermischten Ozean-Deckschicht unter der Oberfläche, mit allgemein höheren Werten im Südwesten und niedrigeren Werten im Nordosten des untersuchten Gebiets. Der beobachtete Gradient ist in den großräumigen Gradienten des oberflächennahen Salzgehalts und Süßwassergehalts zwischen dem eurasischen und dem amerasischen Becken eingebettet. Innerhalb des Netzwerks variierte der Salzgehalt im Ozean wöchentlich und auch im Tageswechsel sehr stark. Zugleich war die räumliche Variation der Oberflächentemperatur geringer als die zeitliche (nicht mehr als 5° C). Die gemittelte Eisdrift variierte ähnlich wie die der Windgeschwindigkeit, aber die Eisdrift war nicht frei und erfuhr verschiedene, auf sie wirkende Kräfte wie z. B. interne Eiskräfte. Es wurde eine halbtägige Fluktuation in der Meereisdrift beobachtet, die auf einen Ozeanantrieb durch Gezeiten und / oder Trägheitsbewegungen im oberen Ozean hinweist. Diese Fluktuationen zeigen die Kopplung von Ozean und Eis. Die Atmosphäre zeigt während dieser Fallstudie diese halbtägigen Fluktuationen nicht. Die beobachtete Variabilität in der Schneetiefe an verschiedenen Messpunkten ist ursächlich auf die Umverteilung von Schnee und auf lokale Effekte zurückzuführen.
Abbildung 3: Die horizontale Verteilung des absoluten Salzgehaltes in 10 m Tiefe von Ende Dezember 2019 bis Ende Januar 2020. Die Anfangspositionen der Bojen (in der Legende durch den Standortnamen gekennzeichnet) sind durch farbige Dreiecke gekennzeichnet, und die Driftspur des Central Observatory (CO) ist durch die schwarze gestrichelte Linie gekennzeichnet. Die Zahlen auf der Driftspur des Central Observatory (CO) beziehen sich auf Tage ab dem 20. Dezember 2019. Der absolute Salzgehalt wird in g kg–1 gemäß TEOS10 angegeben. Die Daten stammen von Salinity Ice Tether-Bojen. (Quelle: Rabe et al., 2024)
Die Hauptvorteile der autonomen Instrumente sind die räumliche Verteilung der Beobachtungen und ihre Fähigkeit, zeitliche Lücken in den manuellen Messungen am Zentralobservatorium zu schließen. Auch als dieses vom 16. Mai bis 18. Juni 2020 wegen der Abreise des FS Polarstern zu einem Personalaustausch ausgesetzt werden musste, konnten durch das Bojennetzwerk weiterhin Daten von 83,4° N bis etwa 82,4° N gewonnen werden. Ein exemplarisches Ergebnis dieser zweiten Fallstudie Sommer ist in Abbildung 4 anhand von Daten von Massenbilanzbojen gezeigt. Abbildung 4 gibt die Daten von 3 Bojen (der Hauptknoten des Netzwerks) wieder. Die Oberflächentemperatur überstieg ab dem 26. Mai den Gefrierpunkt, was auch zu einer deutlichen Erwärmung des Schnees (oberhalb der gestrichelten Linie) und des Meereises darunter führte. Wie in Abbildung 4a–c dargestellt, erwärmte sich das kalte Innere des Meereises von Mai bis Juni 2020 allmählich, und zwar zunächst durch die starke Erwärmung von oben als dann auch langsamer von unten. Dies impliziert auch, dass der Volumenanteil der Sole im Meereis allmählich zunahm. Zwei der drei Bojen zeigten bereits in diesem Zeitraum ein Schmelzen an der Oberfläche (Abnahme der Schneedicke), während sich die Eisdicke an der Unterseite noch kaum veränderte. Auch hier lassen sich wieder die unterschiedlichen Einflüsse von Atmosphäre und Ozean auf das Meereis erkennen.
Abbildung 4: Zeitliche Entwicklung der Schnee- und Eismassenbilanz sowie Wärmeflusses an drei Standorten im späten Frühling 2019 an der Eisoberfläche. (Quelle: Rabe et al., 2024)
Das Netzwerk autonomer Stationen während der MOSAiC Expedition
Das MOSAiC Distributed Network (DN – verteilte Netzwerk) war während der Drift von der östlichen eurasischen Arktis zur Framstraße von Ende 2019 bis zur ersten Hälfte des Jahres 2020 in Betrieb und nach der Verlegung des zentralen Observatoriums in die zentrale Arktis vom Spätsommer bis zum Frühherbst 2020 (siehe Abbildung 5). Dieses sogenannte verteilte Netzwerk autonomer, an das Eis gebundener Systeme unterschiedlicher Meereisbojen während der MOSAiC Expedition zielte darauf ab, Lücken im Verständnis zeitlicher und räumlicher Skalen zu schließen, insbesondere im Hinblick auf die Auflösung wichtiger Prozesse in Erdsystemmodellen. Durch die Charakterisierung der Variabilität klimarelevanter Einflussfaktoren rund um ein zentrales Observatorium mit Hilfe von lokalen Messungen ist es damit möglich, die gekoppelten Systeminteraktionen an den Schnittstellen zwischen Ozean, Eis und Atmosphäre als auch dreidimensionale Prozesse im Ozean, im Meereis und in der Atmosphäre abzubilden. „Insgesamt unterstützen diese Beobachtungen nicht nur unser Verständnis der sich ständig ändernden Arktis, sondern liefern auch einzigartige Möglichkeiten zur Modellvalidierung. Am Ende führt die Analyse der Bojendaten zu neuen Modellparametrisierungen von Prozessen im System Ozean, Meereis und Atmosphäre“, fasst Benjamin Rabe die Arbeit und Leistung der umfänglichen Datenanalyse zusammen. Der umfassende Charakter der Instrumente und der parallele Betrieb eines Eisbrechers und eines zentralen Observatoriums mit ergänzenden Messungen und manueller Probenahme sind wichtige Aspekte des MOSAiC DN und in ihrer Gesamtheit beispiellos.
Die während der einjährigen Expedition ausgebrachten autonomen Bojen waren von unterschiedlicher Komplexität. Jeder der mehr als 30 verschiedenen Bojentypen ist dabei einzigartig in Bezug auf seine technischen Spezifikationen, Messvariablen, vertikale und zeitliche Auflösung. Sie wurden an verschiedenen Standorten, meist im Umkreis von circa 50 km um das Zentralobservatorium ausgebracht. Alle Instrumente zeichneten nicht nur autonom ihre Daten auf, sondern leiteten die meisten Daten auch über Satelliten an Land, wobei die restlichen Daten bei Wartungsbesuchen oder nach der Bergung der Bojen erfasst wurden. Die Beobachtungen konnten gleichzeitig sowohl vertikale Prozesse an einer einzelnen Eisscholle erfassen, als auch horizontal heterogene Prozesse über 10 bis 100 km und kleineren Skalen quasi-synoptisch entlang der Drift. Dieses Netzwerk ermöglicht eine Studie der auf unterschiedlichen Skalen stattfindenden Prozesse des oberen Ozeans, Meereises, Schnee und der unteren Atmosphäre. Die ausgewählten Standorte zeigten eine erhebliche Variabilität in der Schneehöhe und Eisdicke und ermöglichen eine zeitlich und räumlich aufgelöste Charakterisierung der Eisbewegung und -deformation.
Abbildung 5: Das verteilte Bojennetzwerk (DN) während der MOSAiC Expedition. (Quelle: Rabe et al., 2024)
Das Daten- und Kartenarchiv von meereisportal.de bietet ein frei zugängliches Archiv von Bojendaten und umfasst dabei aktuell über 600 Bojen, davon 475 in der Arktis, von denen 214 Bojen während der MOSAiC Expedition ausgebracht wurden (siehe Abbildung 6). Die Bojendaten sind Teil des Internationalen Arktischen Bojenprogramms (IABP) sowie des Internationalen Programm für antarktische Bojen (IPAB). „Durch MOSAiC hat das Datenportal des Meereisportals eine sehr große Bedeutung erhalten und es wurde zum größten Portal für meereisbasierte Bojendaten. Wir haben auch sechs neue Bojentypen etabliert, um mehr Daten auch aus der Atmosphäre und dem Ozean bereitstellen zu können. So sind die MOSAiC Daten der größte Datensatz, den wir im Meereisportal haben“, erläutert Dr. Marcel Nicolaus (AWI), der für die Meereisarbeiten während MOSAiC verantwortlich war (siehe Abbildung 7).
Abbildung 6: Bojentrajektorien, der während der MOSAiC Expedition ausgebrachten und in Meereisportal eingepflegten Bojendaten.
Abbildung 7: Fotos von Bojentypen, die für MOSAiC in das Meereisportal eingepflegt wurden. a) Unbemannte (unbesetzte) Eisstation (UMIS), b) Saisonale Eismassenbilanzboje (SIMB), c) eisgebundene Salzgehaltsboje (SIT), d) eisgebundener (Ozean)profiler (ITP), e) arktische Ozeanflussboje (AOFB), f) driftender Ozeanprofiler (D-TOP). (Quelle: Zusammenstellung aus Rabe et al., 2024)
Zusammenfassung
Die in der umfänglichen Studie veröffentlichten Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, die Unterschiede in der Eisdicke und der gesamten Eiseigenschaften an verschiedenen Einsatzorten der Bojen sorgfältig zu berücksichtigen. Diese können zu erheblichen Änderungen im Massen- und Energieaustausch zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean führen.
Messungen in einem verteilten Netzwerk erleichtern die Analyse von Prozessen, die weder mit Clustern autonomer Instrumente allein, die durch größere Entfernungen als die DN-Standorte getrennt sind, noch mit der eigenständigen Verwendung autonomer Systeme möglich wären. Der wissenschaftliche Wert des Bojennetzwerkes ist somit vielfältig: Aufgrund der Vielzahl der vom DN abgedeckten zeitlichen und räumlichen Maßstäbe eignet es sich besonders für die Skalierung von Messungen oder Erkenntnissen auf Maßstäbe, die kleiner sind als 10 bis 100 km große Modellgitterzellen, die typischerweise in Erdsystem- und Klimamodellen verwendet werden.
Schließlich zeigt diese erfolgreiche Implementierung die Machbarkeit solcher Netzwerke. Außerdem liefert sie wichtige Leitlinien für zukünftige Installationen autonomer Beobachtungsnetzwerke, die in einer sich erwärmenden Welt häufiger werden sollten, um die komplexen Wechselwirkungen im Klimasystem und ihren Einfluss auf den Meereisrückgang besser verstehen und beurteilen zu können.
„Mit dieser Veröffentlichung beginnt zugleich die Phase, in der wir die Bojendaten verstärkt mit Beobachtungen von Satelliten, aus der Luft und vom Eis, und darunter (z. B. mit dem Remotely Operated Vehicle, ROV) verknüpfen. So werden wir die zeitlichen und saisonalen Veränderungen in den Daten mit der räumlichen Variabilität verknüpfen. Dies ist notwendig, um das System auf unterschiedlichen Skalen besser zu verstehen.“, erklärt Dr. Marcel Nicolaus die nun anstehenden Arbeiten.
Link zur Veröffentlichung:
Rabe, B., and 49 others (2024): The MOSAiC Distributed Network: Observing the coupled Arctic system with multidisciplinary, coordinated platforms , Elem Sci Anth, 12 (1).
doi: 10.1525/elementa.2023.00103
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